一種質子交換膜燃料電池雙機備份控制器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃料電池發電系統用控制器及其控制方法，具體屬于質子交換膜燃料電池控制技術領域。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池系統(簡稱:PEMFC)是一個多輸入多輸出的復雜電化學裝置，燃料電池一般是由數百片單體電池串聯而成。單體電池的電壓直接反應電池堆工作狀態，反應氣體的壓力、濕度、電池堆內部溫度等工作條件直接影響電池堆的性能和壽命。在PEMFC系統運行的過程中，燃料電池控制器能夠實時檢測和控制這些物理量，根據電池的實際運行狀態提供所需的原料和合適的環境，保證燃料電池可靠高效地運行。
[0003]燃料電池系統，很多時候都需要24小時不間斷地開機運行。在控制器設計時就需要考慮如何有效保證控制器能夠安全可靠地長時間連續運行。目前隨著現代微電子技術的發展，CPU控制芯片雖然可靠性很高，平均無故障間隔時間高達幾萬甚至幾十萬小時，但都難以保證在運行中沒有任何故障出現，尤其是在長時間連續運行中出現高溫、電磁干擾或其他環境因素的影響，更容易造成CPU故障，從而導致控制器癱瘓。
【發明內容】
[0004]本發明目的是提供一種性能穩定、接口資源豐富、體積小的質子交換膜燃料電池雙機備份控制器及其控制方法，以克服傳統燃料電池控制器所存在缺陷。
[0005]本發明為實現上述目的所采用的技術方案是:一種質子交換膜燃料電池雙機備份控制器，主控制器處理器和從控制器處理器均與電源模塊、數據存儲模塊、主從控制器切換模塊連接，主控制器處理器還與從控制器處理器、通信模塊連接，主從控制器切換模塊與數據采集模塊、驅動輸出模塊連接；
[0006]電源模塊用于給主控制器處理器、從控制器處理器、數據采集模塊、驅動輸出模塊、主從控制器切換模塊以及燃料電池的傳感器供電；
[0007]主控制器處理器用于根據燃料電池的傳感器信息控制燃料電池設備保持正常工作；接收來自數據采集模塊經主從控制器切換模塊傳送的燃料電池傳感器信息，并發送設備控制信號經主從控制器切換模塊至驅動輸出模塊；
[0008]從控制器處理器用于監測主控制器處理器和傳感器數據的實時備份，在主控制器處理器故障時代替其工作并關閉燃料電池設備，接收來自數據采集模塊經主從控制器切換模塊傳送的燃料電池傳感器信息，并發送設備控制信號經主從控制器切換模塊至驅動輸出模塊；
[0009]主從控制器切換模塊用于主控制器處理器和從控制器處理器與數據采集模塊、驅動輸出模塊通信的切換。
[0010]所述數據采集模塊包括開關量采集模塊和模擬量采集模塊，用于采集燃料電池溫度傳感器和差壓傳感器的數據。
[0011]所述驅動輸出模塊包括模擬量輸出模塊和開關量輸出模塊，用于控制燃料電池的儲氫罐儲氧罐的減壓閥、氣泵的減壓閥、水泵的電磁閥、進氧進氫排氧排氫清掃電磁閥。
[0012]所述通信模塊包括串口通信模塊、CAN通信模塊和USB通信模塊。
[0013]所述數據存儲模塊包括兩個數據存儲卡，分別與主控制器處理器、從控制器處理器連接。
[0014]一種質子交換膜燃料電池雙機備份控制方法，包括以下步驟:
[0015]主控制器處理器實時監控燃料電池設備并定期將燃料電池傳感器數據發送至從控制器處理器進行備份；從控制器處理器定期向主控制器處理器發送查詢碼，主控制器處理器接收到查詢碼后回復應答碼給從控制器處理器；
[0016]從控制器處理器根據應答碼判斷主控制器處理器是否正常運行；若在規定時間內沒有得到主控制器處理器的應答或者得到的應答有誤，則認為主控制器處理器出現I次故障；
[0017]若主控制器處理器運行故障次數超過設定值，則認為主控制器處理器失效，則從控制器處理器對主從控制器切換模塊進行選通，獲得數據采集模塊、驅動輸出模塊的使用權，將燃料電池傳感器信息進行備份并關閉設備。
[0018]所述主控制器處理器接收到查詢碼后回復應答碼給從控制器處理器包括以下步驟:主控制器處理器在接收到查詢碼后對該查詢碼進行移位，與設定值進行與或非操作，并產生應答碼回復給從控制器處理器。
[0019]本發明具有以下有益效果及優點:
[0020]1.本發明燃料電池控制器，采用雙機備份冗余設計，當主控制器發生故障，從控制器能夠實時接替，完成必要控制工作，從而避免系統處于失控狀態，具有性能穩定，可靠性強的特點。
[0021]2.本發明的燃料電池控制器主從控制器共享外設接口，節省了硬件資源，使得雙機備份控制器具有體積小，功耗低的特點。
[0022]3.本發明的燃料電池控制器模擬量采集單元設置撥碼開關，可采集電流信號以及電壓信號，使用單獨處理器來進行AD轉換處理，接口拓展性強，檢測精度高。
[0023]4.本發明采用雙機備份冗余設計是一種非常有效的解決控制器故障的方法。當主控制器發生故障，從控制器能夠實時自動接替，完成必要控制，從而避免系統處于失控狀態，引發安全事故。這種控制方式具有安全可靠，不用人工干預等優點。
【附圖說明】
[0024]圖1本發明的燃料電池電池控制器框架圖。
[0025]圖2本發明的主從控制器硬件資源共享原理示意圖。
[0026]圖3本發明的主從控制器軟件構架示意圖一。
[0027]圖4本發明的主從控制器軟件構架示意圖二。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0029]一種質子交換膜燃料電池雙機備份控制系統，它包括電源模塊1，主控制器處理器2，從控制器處理器3，數據采集模塊4，驅動輸出模塊5，通信模塊6，數據存儲模塊7和主從控制器切換模塊8。
[0030]所述電源模塊I分別與數據采集模塊、處理器模塊、通訊模塊、數據存儲模塊連接，為四個模塊提供工作電壓，保證燃料電池控制器正常工作。
[0031]所述控制器處理器包括主控制器處理器2和從控制器處理器3。處理器是整個控制系統的核心模塊，它接受檢測信息，根據得到的信息進行相應的處理和控制操作，考慮到處理器編程方便，主控制器處理器和從控制器處理器都采用ARM7內核的微控制器LPC2478，從控制器處理器通過I2C通信接口監視主控制器處理器運行狀態。
[0032]所述數據采集模塊4由模擬量采集模塊和開關量采集模塊兩部分組成，負責將外部傳感器模擬量信號和開關量信號采集并傳送至控制系統處理器。外部傳感器包括燃料電池的電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。
[0033]負責采集燃料電池的電壓和電流、溫度傳感器、差壓傳感器等。
[0034]所述驅動輸出模塊5由模擬量輸出模塊和開關量輸出模塊兩部分組成，在控制器處理器的控制下可以提供O?5V模擬量、4?20mA模擬量和24V開關量輸出。
[0035]所述通訊模塊6，接收微控制器模塊發來的信息，并發送給外部通訊設備，同時接收外部通訊設備發來的指令信息，轉發到處理器模塊處理。還通過RS232接口接收燃料電池巡檢儀的檢測數據。
[0036]所述數據存儲模塊7在控制器處理器工作時將系統狀態信息以及故障信息寫入SD卡存儲器，便于上位機進行存儲信息讀取。主控制器處理器2寫入與其連接的SD存儲器的內容包括數據采集模塊4獲得的電壓、電流、溫度、壓力差數據、經通訊模塊6燃料電池巡檢儀獲得的單體電池的電壓、電流數據。從控制器處理器3寫入與其連接的SD存儲器的內容包括數據采集模塊4獲得的電壓、電流、溫度、壓力差數據，主控制器處理器正常工作時通過I2C傳遞給從控制器處理器的燃料電池巡檢儀獲得的單體電池的電壓、電流數據。
[0037]所述主從控制器切換模塊8，從控制器處理器3和主控制器處理器2通過I2C通信接口相連，監視主控制器處理器2工作狀態，當主控制器處理器發生故障時，從控制器獲取共享外設資源，對突發事件緊急處理，完成必要控制功能，以保證系統安全。
[0038]如附圖1所示，本發明提出的燃料電池雙機備份控制系統由電源模塊1，主控制器處理器2，從控制器處理器3，數據采集模塊4，驅動輸出模塊5，通信模塊6，數據存儲模塊7和主從控制器切換模塊8組成。
[0039]電源模塊1:燃料電池控制器系統輸入電壓18?36V (標稱24V)，控制器中需要5V電源給數字核心電路供電，需要3.3V給控制器處理器供電。另外電源模塊還提供兩路電源輸出:隔離電源±12V/5W、24V/30W，其中± 12V/5W給燃料電池電流傳感器供電，24V/30W電源給燃料電池電壓、溫度、壓力等傳感器供電。
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